BESSY II révèle les premières étapes de l'oxydation du cuivre : une base pour la recherche sur les catalyseurs et l'étude de la corrosion des conteneurs de stockage final des déchets nucléaires

La source de rayonnement synchrotron allemande BESSY II a récemment fourni de nouvelles connaissances expérimentales sur les premières étapes de l'oxydation de la surface du cuivre. Les recherches montrent qu'avant la formation d'oxydes de cuivre purs, les atomes de cuivre et d'oxygène constituent d'abord des superstructures de surface complexes, telles que la structure “29”CuₓO. L'état chimique de ces structures est depuis longtemps sujet à controverse et présente un intérêt pour la recherche sur les catalyseurs ainsi que pour l'étude de la protection contre la corrosion des conteneurs en cuivre destinés au stockage final des déchets radioactifs.

Avant la formation d'oxyde de cuivre pur, des superstructures complexes composées d'atomes de cuivre et d'oxygène apparaissent — par exemple la structure “29”CuxO. HZB

Dans l'environnement quotidien, la surface du cuivre perd progressivement son éclat métallique rouge et forme une couche d'oxydation verdâtre. Cette structure de couche peut ralentir la corrosion ultérieure pendant une période relativement longue. Concernant les premières étapes de ce processus, la question centrale qui préoccupe les chercheurs est la suivante : dans quelle mesure les atomes de cuivre sont-ils réellement oxydés lorsque l'oxygène pénètre dans la surface du cuivre ? Étant donné que les méthodes spectroscopiques traditionnelles peinent à distinguer clairement les différences entre le cuivre pur et les surfaces partiellement oxydées, ces états d'oxydation étaient auparavant difficiles à mesurer directement.

L'équipe de recherche dirigée par le professeur Alexander Föhlisch a effectué des mesures à l'aide de la spectroscopie de coïncidence Auger-photoélectron (APECS) sur BESSY II. Cette méthode présente une sensibilité de surface très élevée, permettant aux chercheurs de distinguer plus clairement les différents états chimiques.

Les résultats montrent que, dans l'oxyde de surface “29” connu, les atomes de cuivre restent très proches de l'état métallique, avec un état d'oxydation d'environ 0,3 seulement. En d'autres termes, bien que la surface contienne une concentration élevée d'oxygène, son état électronique est plus proche de celui du cuivre métallique que de celui de l'oxyde cuivreux (Cu₂O). Les chercheurs ont également identifié la distribution des espèces d'oxygène constituant l'oxyde de surface protecteur. Ce résultat indique que la teneur en oxygène en surface ne détermine pas directement le degré d'oxydation des atomes de cuivre.

Cette découverte peut fournir des données de base pour deux orientations. D'une part, le cuivre est couramment utilisé dans des processus catalytiques tels que la réduction du dioxyde de carbone, la synthèse du méthanol et les réactions d'oxydation. De nombreux sites actifs ne sont pas du CuO, du Cu₂O entièrement oxydés ou du métal pur, mais des surfaces partiellement oxydées. Si ces surfaces présentent un état électronique proche de l'état métallique, cela pourrait aider à expliquer leur activité et leur sélectivité différentes de celles des oxydes purs. D'autre part, une compréhension plus fine des mécanismes de corrosion de la surface du cuivre contribue également à soutenir les études de sûreté des conteneurs en cuivre destinés au stockage final des assemblages de combustible usé.

Il est indiqué que les expériences de cette recherche ont été réalisées dans le cadre du laboratoire conjoint Uppsala–Berlin, sur la ligne de lumière UE52-PGM à la station expérimentale CoESCA de BESSY II ; les calculs associés de premiers principes ont été soutenus par l'équipe collaborative de l'Université de Stockholm en Suède.